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课题　以“工业废气中的CO2为碳源制取甲醇”
为载体解决速率和平衡问题
我国提出争取在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，这对于改善环境、实现绿色发展至关重要。因此，研发CO2利用技术、降低空气中CO2含量成为化学科学家研究的热点。利用工业废气中的CO2可制取甲醇，二氧化碳是工业废气中的常见物质，有关二氧化碳的综合开发利用越来越受到人们的关注。
甲醇(CH3OH)是一种基础有机化工原料，广泛应用于有机合成、医药、农药、染料、高分子等化工生产领域。如果能利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为减少二氧化碳的排放提供一种良好的解决方法，又可为甲醇的合成提供一条绿色新途径，意义重大。
影响化学反应速率和化学平衡的因素
在一容积为2 L的密闭容器内加入2 mol的CO和6 mol 的H2，在一定条件下发生如下反应：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)　ΔH＜0。该反应的逆反应速率与时间的关系如图所示：
　由图可知反应在t1、t3、t7时都达到了平衡，而在t2、t8时都改变了条件，试判断t2、t8时改变的条件可能是什么？
提示：t2时改变的条件为升高温度或增加CH3OH浓度；t8时为加入催化剂。
　若t4时降压，t5时达到平衡，t6时增大反应物的浓度，请在图中画出t4～t6时逆反应速率与时间的关系曲线。
提示：
　若容器容积不变，哪些措施可增大甲醇产率？
提示：降低温度、增大压强、将CH3OH从体系中分离等。
化学平衡常数的应用
工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如表所示：
化学反应 平衡常数 温度/℃
500 800
①2H2(g)＋CO(g) CH3OH(g) K1 2.5 0.15
②H2(g)＋CO2(g) H2O(g)＋CO(g) K2 1.0 2.50
③3H2(g)＋CO2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) K3
　(1)根据反应①与②可推导出K1、K2与K3之间的关系，则K3＝________(用K1、K2表示)。
(2)反应③为吸热反应还是放热反应？
(3)500 ℃时测得反应③在某时刻H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的浓度(mol·L-1)分别为0.8、0.1、0.3、0.15，判断此时反应v正和v逆的大小关系。
提示：(1)K1＝，K2＝，K3＝，则K3＝K1·K2。
(2)根据K3＝K1·K2，500 ℃、800 ℃时，反应③的平衡常数分别为2.5、0.375；升高温度，K减小，平衡左移，正反应为放热反应。
(3)500 ℃时，K3＝2.5 ，Q＝＝≈0.88＜K3，故反应正向进行，v正>v逆。
　为探究用CO2生产燃料CH3OH的反应原理，现进行如下实验：在T ℃时，向2 L恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2，进行题述反应，10 min 时反应达到平衡，0～10 min内，H2的反应速率为0.09 mol·L-1·min-1。该温度下的平衡常数K＝________(保留三位有效数字)。
提示：该时间段内，消耗氢气物质的量浓度为0.09 mol·L-1·min-1×10 min＝0.9 mol·L-1，起始时，通入CO2物质的量浓度为0.5 mol·L-1，H2物质的量浓度为，则达到平衡时，c(CO2)＝＝0.2 mol·L-1，c(H2)＝1.5 mol·L-1－0.9 mol·L-1＝0.6 mol·L-1，c(CH3OH)＝c(H2O)＝ mol·L-1＝0.3 mol·L-1，因此该温度下K＝＝≈2.08。
工业生产条件的选择
热化学法将CO2转化为甲醇。CO2催化加氢主要反应：
反应Ⅰ．CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.4 kJ·mol-1
反应Ⅱ．CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol-1
压强分别为p1、p2时，将＝1∶3的混合气体置于密闭容器中反应，不同温度下平衡时体系中CO2转化率和CH3OH(或CO)选择性如图所示。
已知：CH3OH(或CO)的选择性＝×100%。
　曲线①、②分别代表什么？
提示：反应Ⅰ为放热反应，反应Ⅱ为吸热反应，随着温度升高，反应Ⅰ向逆反应方向进行，甲醇的选择性降低，反应Ⅱ向正反应方向进行，CO的选择性增大，则曲线①代表CH3OH的选择性，曲线②表示不同温度下CO2的转化率。
　比较压强 p1和p2的大小。
提示：反应Ⅰ是反应前后气体物质的量减少的反应，反应Ⅱ是反应前后气体物质的量不变的反应，相同温度下，增大压强，有利于反应Ⅰ向正反应方向进行，CO2的平衡转化率增大，根据图像可知，p1＞p2。
　温度高于250 ℃，曲线②或曲线③上升的原因是什么？
提示：温度高于250 ℃，曲线②、③上升且逐渐接近，说明此时反应以反应Ⅱ为主。
氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝　ΔS＝－200 J·mol-1·K-1，已知lg 2＝0.3、lg 2.82＝0.45，回答下列问题：
(1)合成氨反应能自发进行的最低温度为____________K。
(2)写出一种提高NH3产率的方法：_____________________________________
___________________________________________________________________。
(3)恒温恒容下，向密闭容器中充入一定量的N2和H2，则下列条件中一定能判断该反应达到平衡状态的是________(填字母)。
a．N2和NH3的浓度相等
b．NH3的生成速率是N2的消耗速率的2倍
c．容器中气体的平均摩尔质量不变
d．NH3的百分含量保持不变
(4)向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2发生合成氨反应，平衡时，NH3的体积分数随压强和温度的变化如图所示。
①p1、p2、p3由小到大的顺序是_______________________________。
②若p2＝1.6 MPa，则T1 K温度下，M点对应的H2的平衡转化率为________%(保留3位有效数字)，压强平衡常数Kp＝________MPa-2(Kp为用平衡分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。
[解析]　(1)根据合成氨反应能够自发进行，则ΔG＝ΔH－TΔS＜0，ΔG＝－92.4 kJ·mol-1－T×(－200)×10-3 kJ·mol-1·K-1＜0，则T＜462 K。(2)提高NH3产率的方法：设法使平衡正向移动，如及时分离出氨。(3)a．N2和NH3的浓度相等，不能说明反应达到平衡状态；b．NH3的生成速率是N2的消耗速率的2倍，都是正反应速率，不能说明反应达到平衡状态；c．＝，根据质量守恒定律m(气体)是定值，n(气体)是变量，因此容器中气体的平均摩尔质量不变说明达到平衡状态；d．NH3的百分含量保持不变说明达到平衡状态；故选cd。(4)①根据图像分析可知相同条件下增大p，平衡正向移动，平衡时NH3的体积分数增大，因此p1＜p2＜p3。
②利用三段式处理数据计算Kp，设N2的转化量为x mol。
　　　　　　　3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g)
起始量/mol 3 1 0
转化量/mol 3x x 2x
平衡量/mol 3－3x 1－x 2x
氨体积分数＝＝0.5，解得x＝；M点对应的H2的平衡转化率为×100%≈66.7%，Kp＝ MPa-2＝ MPa-2。
[答案]　(1)462　(2)及时分离出氨(或其他合理答案)　(3)cd　(4)①p1＜p2＜p3　②66.7　
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为载体解决速率和平衡问题
我国提出争取在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，这对于改善环境、实现绿色发展至关重要。因此，研发CO2利用技术、降低空气中CO2含量成为化学科学家研究的热点。利用工业废气中的CO2可制取甲醇，二氧化碳是工业废气中的常见物质，有关二氧化碳的综合开发利用越来越受到人们的关注。
甲醇(CH3OH)是一种基础有机化工原料，广泛应用于有机合成、医药、农药、染料、高分子等化工生产领域。如果能利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为减少二氧化碳的排放提供一种良好的解决方法，又可为甲醇的合成提供一条绿色新途径，意义重大。
影响化学反应速率和化学平衡的因素
在一容积为2 L的密闭容器内加入2 mol的CO和6 mol 的H2，在一定条件下发生如下反应：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)　ΔH＜0。该反应的逆反应速率与时间的关系如图所示：
　由图可知反应在t1、t3、t7时都达到了平衡，而在t2、t8时都改变了条件，试判断t2、t8时改变的条件可能是什么？
　若t4时降压，t5时达到平衡，t6时增大反应物的浓度，请在图中画出t4～t6时逆反应速率与时间的关系曲线。
　若容器容积不变，哪些措施可增大甲醇产率？
化学平衡常数的应用
工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如表所示：
化学反应 平衡常数 温度/℃
500 800
①2H2(g)＋CO(g) CH3OH(g) K1 2.5 0.15
②H2(g)＋CO2(g) H2O(g)＋CO(g) K2 1.0 2.50
③3H2(g)＋CO2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) K3
　(1)根据反应①与②可推导出K1、K2与K3之间的关系，则K3＝________(用K1、K2表示)。
(2)反应③为吸热反应还是放热反应？
(3)500 ℃时测得反应③在某时刻H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的浓度(mol·L-1)分别为0.8、0.1、0.3、0.15，判断此时反应v正和v逆的大小关系。
　为探究用CO2生产燃料CH3OH的反应原理，现进行如下实验：在T ℃时，向2 L恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2，进行题述反应，10 min 时反应达到平衡，0～10 min内，H2的反应速率为0.09 mol·L-1·min-1。该温度下的平衡常数K＝________(保留三位有效数字)。
工业生产条件的选择
热化学法将CO2转化为甲醇。CO2催化加氢主要反应：
反应Ⅰ．CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.4 kJ·mol-1
反应Ⅱ．CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol-1
压强分别为p1、p2时，将＝1∶3的混合气体置于密闭容器中反应，不同温度下平衡时体系中CO2转化率和CH3OH(或CO)选择性如图所示。
已知：CH3OH(或CO)的选择性＝×100%。
　曲线①、②分别代表什么？
　比较压强 p1和p2的大小。
　温度高于250 ℃，曲线②或曲线③上升的原因是什么？
氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝　ΔS＝－200 J·mol-1·K-1，已知lg 2＝0.3、lg 2.82＝0.45，回答下列问题：
(1)合成氨反应能自发进行的最低温度为____________K。
(2)写出一种提高NH3产率的方法：_____________________________________
___________________________________________________________________。
(3)恒温恒容下，向密闭容器中充入一定量的N2和H2，则下列条件中一定能判断该反应达到平衡状态的是________(填字母)。
a．N2和NH3的浓度相等
b．NH3的生成速率是N2的消耗速率的2倍
c．容器中气体的平均摩尔质量不变
d．NH3的百分含量保持不变
(4)向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2发生合成氨反应，平衡时，NH3的体积分数随压强和温度的变化如图所示。
①p1、p2、p3由小到大的顺序是_______________________________。
②若p2＝1.6 MPa，则T1 K温度下，M点对应的H2的平衡转化率为________%(保留3位有效数字)，压强平衡常数Kp＝________MPa-2(Kp为用平衡分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。
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